ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ТЕХНОГЕНЕЗА КОМПОНЕНТОВ ПОДЗЕМНОГО ПРОСТРАНСТВА ПРИ ЕГО ОСВОЕНИИ И ИСПОЛЬЗОВАНИИ
реклама
На правах рукописи ПАНКРАТОВА Ксения Викторовна ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ТЕХНОГЕНЕЗА КОМПОНЕНТОВ ПОДЗЕМНОГО ПРОСТРАНСТВА ПРИ ЕГО ОСВОЕНИИ И ИСПОЛЬЗОВАНИИ (НА ПРИМЕРЕ САНКТ-ПЕТЕРБУРГА) Специальность 25.00.08 – Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2012 Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный горный университет» Научный руководитель доктор геолого-минералогических наук, профессор Дашко Регина Эдуардовна Официальные оппоненты: Кнатько Василий Михайлович - доктор технических наук, профессор, Санкт-Петербургский государственный университет, профессор кафедры грунтоведения и инженерной геологии Плечкова Ирина Львовна - кандидат геологоминералогических наук, главный геолог ООО «ПИ Геореконструкция» Ведущее предприятие – Петербургский государственный университет путей сообщения Защита диссертации состоится 31 мая 2012 г. в 11 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.224.11 при СанктПетербургском государственном горном университете по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд. № 4312. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного университета. Автореферат разослан 28 апреля 2012 г. УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета канд. геол.-минерал. наук А.В. ШИДЛОВСКАЯ 2 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Современная тенденция развития мегаполисов предполагает обязательное использование подземного пространства (ПП) при возведении гражданских и промышленных сооружений, строительстве транспортных магистралей, а также объектов специального назначения. Повышение безопасности использования ПП предопределяет необходимость комплексного исследования изменения его компонентов (горных пород, подземных вод, газов, биоты, конструкционных материалов сооружений) в процессе техногенеза при различных видах техногенного воздействия, в том числе загрязнения органическими и неорганическими соединениями, влияния температуры, ультрафиолетового излучения, а также принимая во внимание технологический режим эксплуатации сооружений. Понятие «техногенез» ввел в 1934 году академик А.Е. Ферсман, анализируя его как совокупность процессов, вызываемых технической (инженерной) деятельностью человека. Вопросы техногенного изменения инженерно-геологических условий в пределах городских агломераций освещены в работах Ф.В. Котлова, Е.М. Сергеева, В.И. Осипова, В.Т. Трофимова, В.Д. Ломтадзе, В.А. Королева, Г.Л. Коффа, Ю.Б. Осипова, Р.С. Зиангирова, Г.С. Голодковской, В.М. Кнатько, Р.Э. Дашко и др. Участившиеся случаи перехода сооружений в аварийное и предаварийное состояние в период их строительства и эксплуатации в Санкт-Петербурге требуют анализа причин возникновения таких ситуаций, причем особое внимание должно быть обращено не только на нарушение технологии ведения строительных работ, но и на период эксплуатации зданий, во время которого происходят необратимые изменения пород в зоне влияния сооружений за счет изменения их напряженно-деформированного состояния, а также факторов, которые не учитываются в теории и практике инженерногеологических исследований и соответственно при проектировании сооружений. По данным исследований института НИИПромстроя (г. Уфа) 63-71% случаев перехода сооружений в аварийное состояние определяется факторами, действующими в период эксплуатации объектов, поскольку отсутствует важный этап – 3 прогнозирование изменения инженерно-геологических условий, включая преобразование гидродинамической и гидрохимической обстановки, температурного режима в зоне влияния сооружения. Негативное влияние на песчано-глинистые грунты оказывают утечки из систем водоотведения, вызывающие повышение уровня подземных вод, изменение химического состава водоносных горизонтов, загрязнение водоупоров, и, как следствие, преобразование кислотно-щелочной и окислительновосстановительной обстановки, часто приводящее к активизации подземной микробиоты, что вызывает развитие опасных природнотехногенных процессов. Цель работы. Повышение безопасности функционирования сооружений различного назначения в различных инженерногеологических условиях на основе использования экспериментально полученных закономерностей преобразования песчано-глинистых отложений под воздействием техногенных факторов, позволяющих вести прогнозирование их длительной устойчивости. Основные задачи исследований 1. Установление общих тенденций динамики техногенеза четвертичных и дочетвертичных песчано-глинистых пород в разрезе Санкт-Петербурга при наличии болотных отложений (торфов), под воздействием температуры, загрязнения органическими и неорганическими соединениями. 2. Оценка изменения состояния и физико-механических свойств песчано-глинистых отложений различного генезиса при изменении физико-химических условий и активизации микробной деятельности в подземной среде для установления эмпирических зависимостей между водопроницаемостью и сопротивлением сдвигу от величины микробной массы. 3. Прогнозирование природно-техногенных процессов, определяющих безопасность функционирования сооружений различного назначения в условиях активного техногенеза при освоении и использовании подземного пространства мегаполисов. 4. Обеспечение длительной устойчивости наземных и подземных сооружений при использовании переменных во времени параметров физикомеханических свойств песчано-глинистых грунтов с учетом их 4 техногенных преобразований под воздействием природной органической компоненты и загрязнения подземной среды. Фактический материал и личный вклад автора. Диссертация является продолжением научных исследований, которые проводились при непосредственном участии автора на кафедре гидрогеологии и инженерной геологии СПГГУ в ходе обучения в бакалавриате и магистратуре. Для получения количественных параметров динамики преобразования песчаноглинистых отложений различного генезиса и возраста под воздействием природной органической компоненты и активизации микробной деятельности автором был выполнен большой объем экспериментальных полевых и лабораторных исследований. Для установления влияния факторов техногенеза проводились различные виды работ на следующих объектах: в перегонных тоннелях Санкт-Петербургского метрополитена по трассе «Елизаровская-Ломоносовская», в автодорожном тоннеле неглубокого заложения «Санкт-Петербург-Пушкин», в котлованах Второй сцены Мариинского театра и бизнес-центра «Невская Ратуша», в зонах влияния действующих кладбищ и свалок хозяйственно-бытовых отходов, на участках заболачивания в черте города и пригородах Санкт-Петербурга. Автором были получены закономерности влияния ультрафиолетового излучения и вибрационных нагрузок на снижение величины микробной масс в песчано-глинистых грунтах за счет сокращения численности микроорганизмов и соответственно продуктов их метаболизма. Основные методы исследований. Теоретические и научнопрактические методы оценки развития техногенных преобразований песчано-глинистых грунтов различного генезиса и возраста, экспериментальные исследования с использованием оборудования на основе метода лазерной дифракции для изучения гранулометрического состава, определения характеристик прочности и деформируемости с применением комплекса оборудования, включающего стабилометры, приборы одноплоскостного сдвига; усовершенствованный биохимический метод М. Бредфорд определения микробной массы по величине микробного белка, впервые предложенный на кафедре 5 грунтоведения и инженерной геологии СПбГУ. Микробиологические исследования с помощью посевов и выделения чистых культур, а также использования электронной и световой микроскопии для выявления численности видового и родового состава микроорганизмов, в том числе аэробных и анаэробных групп, выполнены в лабораториях биолого-почвенного факультета СПбГУ; компьютерное моделирование производилось с помощью программного комплекса FEM models на основе метода конечных элементов, разработанного ООО «ПИ Геореконструкция». Реализация результатов исследований. Установленные закономерности трансформации состава, состояния, физикомеханических свойств дисперсных грунтов и развития инженерногеологических процессов при техногенном воздействии используются при подготовке проектов строительства новых сооружений, реконструкции и реставрации старинных зданий рядом организаций, в том числе ООО «ПИ Геореконструкция», ОАО «ЛЕННИИПРОЕКТ», материалы по биокоррозии переданы службе ТОИС ГУП «Петербургский метрополитен». Результаты работы будут использованы при совершенствовании нормативных документов по проведению инженерных изысканий и территориальных строительных норм. Научная новизна работы Экспериментально установлены закономерности изменений состава, состояния, снижения параметров сопротивления сдвигу и деформационной способности водонасыщенных песчано-глинистых грунтов различного генезиса, возраста и степени литификации под воздействием природной органической компоненты и активизации микробной деятельности. Получены закономерности снижения численности микроорганизмов (по величине микробной массы) под влиянием ультрафиолетового излучения и вибрационных воздействий в водонасыщенных песчано-глинистых грунтах. Разработаны схематические карты особенностей и интенсивности загрязнения верхней части разреза подземного пространства Санкт-Петербурга под воздействием контаминантов 6 характерных для мегаполисов, история развитие которых насчитывает нескольких веков. Защищаемые положения 1. Интенсивность техногенеза основных компонентов подземного пространства мегаполиса определяет уровень сложности инженерно-геологических условий за счет нестабильности показателей состава, состояния и физико-механических свойств песчано-глинистых отложений в период функционирования сооружений и развития неуправляемых природно-техногенных процессов в подземной среде, взаимодействующей с сооружением. 2. Активизация микробной деятельности в подземном пространстве мегаполисов при поступлении питательных и энергетических субстратов, отепляющем эффекте, дополнительном привносе микроорганизмов из различных природных и техногенных источников контаминации, а также за счет формирования анаэробных условий оказывают негативное воздействие на песчаноглинистые отложения, которое постепенно уменьшается по мере повышения содержания глинистой фракции в дисперсных грунтах и степени их литификации. 3. Для повышения безопасности функционирования системы сооружение – многокомпонентная подземная среда необходимо вести проектирование на основе прогнозирования изменения состояния и физико-механических свойств песчано-глинистых отложений, преобразования состава подземных вод и активизации природно-техногенных процессов с использованием результатов экспериментальных исследований, которые не предусмотрены в системе инженерных изысканий. Практическая значимость работы Произведена экспериментальная оценка влияния изменения физико-химических и биохимических условий в подземном пространстве Санкт-Петербурга на песчано-глинистые грунты для повышения степени достоверности инженерно-геологической информации о негативном преобразовании песчано-глинистых отложений (их состава, состояния и физико-механических свойств), которые используются для анализа перехода ряда сооружений в предаварийное либо аварийное состояние. 7 Усовершенствованы и опробованы методики испытания песчано-глинистых грунтов при их загрязнении органическими контаминантами биогенного и абиогенного генезиса, температурном воздействии с целью повышения достоверности получения характеристик прочности и деформационной способности. Предложены рекомендации для расчета длительной устойчивости наземных и подземных сооружений с учетом преобразования физико-механических свойств песчано-глинистых грунтов при техногенезе в период их эксплуатации. Достоверность научных положений и выводов, сформулированных в диссертационной работе, базируется на большом объеме выполненных теоретических, научно-практических и экспериментальных исследований по трансформации состава, состояния и физико-механических свойств песчано-глинистых отложений различного генезиса и возраста при воздействии техногенных факторов (органических контаминантов биогенного и абиогенного генезиса, температурного и вибрационного влияния), повышающих либо снижающих численность микробной массы. Результаты микробиологических исследований по определению физиологических групп, родового и видового состава микроорганизмов и их численности в разрезах загрязненных грунтов Санкт-Петербурга позволили оценить их агрессивность по отношению к конструкционным материалам. В основу диссертации положены результаты, полученные в ходе проведения научноисследовательских работ, при непосредственном участии автора: «Инженерно-геологическое и гидрогеологическое обеспечение высотного строительства и освоения подземного пространства в мегаполисах» (2009 г.), «Состояние и стратегия развития научной школы «Инженерная геология» по приоритетным направлениям НИУ» (2010 г.), «Преобразование компонентов подземного пространства для прогнозирования устойчивого развития мегаполисов» (2010-2011 гг.), «Разработка инновационных технологий по приоритетному направлению научной школы «Инженерная геология» (2011 г.), а также при поддержке персональных грантов Санкт-Петербурга для студентов, аспирантов, молодых ученых, молодых кандидатов наук в 2009 и 2010 годах. 8 Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях: «Полезные ископаемые России и их освоение» (СПГГУ, СанктПетербург, 2009, 2010, 2011 гг.), «Сергеевские чтения Х» (Научный совет РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии, Москва, 2008 г.), «Инженерные изыскания в строительстве» (ОАО «ПНИИИС», Москва, 2010, 2011 гг.), международном форуме молодых ученых «Проблемы недропользования» (СПГГУ, Санкт-Петербург, 2011 г.), международных конференциях молодых ученых в Краковской горно-металлургической академии (Краков, Польша, 2009 и 2011 гг.) и Фрайбергской горной академии (Фрайберг, Германия, 2011 г.). Публикации. Основные результаты диссертации содержатся в 11 опубликованных работах, в том числе 4 статьи в журналах, входящих в перечень, рекомендованный ВАК Минобрнауки России. Структура работы. Диссертация изложена на 234 страницах, состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 154 наименований, содержит 67 рисунков, 57 таблиц. Автор выражает глубокую и искреннюю признательность за постоянную помощь и поддержку на всех этапах подготовки диссертационной работы научному руководителю д.г.-м.н. проф. Р.Э. Дашко. Автор благодарит заведующего кафедрой ГиИГ д.г.-м.н. проф. В.В. Антонова, д.г.-м.н. проф. И.П. Иванова, к.г.-м.н. доц. Н.С. Петрова, к.г-м.н., доц. А.В. Шидловскую, к.г-м.н., доц. Т.Н. Николаеву, к.г-м.н., доц. Г.Б. Поспехова, к.г-м.н., доц. Л.П. Норову, к.г.-м.н. асс. О.Ю. Александрову и остальных сотрудников кафедры за обсуждение материалов диссертации. Отдельную благодарность автор выражает к.г.-м.н, асс. А.М. Жуковой, студ. А.А. Коробко, А.Н. Мудла, Ю.Г. Шкаруппа за содействие в проведении полевых и лабораторных работ. Автор выражает благодарность д.б.н., заведующему лабораторией микологии и альгологии СПбГУ Д.Ю. Власову за помощь в проведении микробиологических исследований. 9 ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ИХ ОБОСНОВАНИЕ 1. Интенсивность техногенеза основных компонентов подземного пространства мегаполиса определяет уровень сложности инженерно-геологических условий за счет нестабильности показателей состава, состояния и физикомеханических свойств песчано-глинистых отложений в период функционирования сооружений и развития неуправляемых природно-техногенных процессов в подземной среде, взаимодействующей с сооружением. Подземное пространство в пределах мегаполисов следует рассматривать как динамическую систему взаимозависимых компонентов – «горные породы (грунты) – подземные воды – микробиота – газы – подземные конструкции». В разрезе подземного пространства Санкт-Петербурга прослеживается осадочная толща четвертичного возраста от раннечетвертичных до современных отложений. Вне погребенных долин, развитых по направлению тектонических разломов, ее мощность снижается до 30 м и менее, в наиболее глубокой долине – 120 м. Дочетвертичные осадочные породы – глины и песчаники представлены отложениями нижнекембрийского возраста и котлинского горизонта верхнего венда (рис.1). В разрезе четвертичных отложений преобладают водонасыщенные глинистые грунты различного генезиса и возраста, имеющие, в основном, малую степень литификации (озерноморские, озерно-ледниковые); средняя степень литификации отмечается для морен различного возраста (лужская позднечетвертичная, московская среднечетвертичная и днепровская раннечетвертичная) (рис.2). Пески встречены в разрезе четвертичных пород техногенного, озерно-морского и озерноледникового генезиса, а также в межморенных отложениях и в форме отдельных линз в моренах. Уровень техногенных изменений, прежде всего, определяется влиянием болот и заболоченных грунтов, которые в процессе строительства снимались либо засыпались. Загрязненные техногенные образования представлены либо насыпными грунтами (18-19 вв. – сер. 20 в.) или намывными отложениями (вторая 10 половина 20 в.). Кроме того источником загрязнения в разрезе служат ликвидированные водотоки, составляющие 3,7% территории города. Наличие болот, а также заторфованных грунтов в верхней части разреза оказывает существенное влияние на состояние и физико-механические свойства подстилающих песчано-глинистых отложений четвертичного и дочетвертичного возраста за счет их обогащения органическими соединениями биогенного и абиогенного генезиса (рис.3). В пределах низкой террасы распространены озерно-морские литориновые отложения, обогащенные органикой, а также микробиотой, активность деятельности которой усиливается при наличии в верхней части разреза торфов и контаминации стоками. Нижнекембрийские синие глины распространены в южной части города, верхнекотлинские глины верхнего венда имеют региональное развитие. Коренные глины необходимо рассматривать как литифицированную трещиновато-блочную среду, имеющую зональное строение, при этом интенсивность поступления поллютантов в толщу этих глин меняется по глубине в зависимости от степени их дезинтеграции. В пределах города выделяются следующие водоносные горизонты: грунтовые воды, 1ый межморенный водоносный горизонт, 2ой межморенный водоносный горизонт, ломоносовский водоносный горизонт, а также вендский водоносный комплекс. Загрязнение грунтовых вод за счет утечек из канализационной системы отмечено на большей части исторического центра города, где фиксируются отрицательные значения окислительно-восстановительного потенциала (до -198 mv в районе Александро-Невской Лавры), что определяется развитием анаэробных условий. В грунтовых водах отмечено высокое содержание кальция (до 150 мг/дм3) и магния (до 116 мг/дм3), связанное с выщелачиванием этих элементов из подземных конструкций. Повышенное содержание хлоридов (до 240 мг/дм3), а также иона аммония свидетельствует о загрязнении грунтовых вод канализационными стоками. Наличие сульфатов (до 176 мг/дм3) определяется их поступлением с территорий захороненных свалок, а 11 также с канализационными стоками. Повсеместно в грунтовых водах отмечается присутствие органических соединений, определяемых по величине ХПК и перманганатной окисляемости. Содержание нефтяных углеводородов не превышает 0,1 мг/дм3. В водах верхнего межморенного водоносного горизонта в пределах Полюстровского месторождения по последним проведенным исследованиям зафиксировано повышенное содержание аммония, хлоридов и сульфатов, а также тяжелых металлов и нефтепродуктов за счет их поступления из грунтовых вод. К числу защищенных водоносных горизонтов от загрязнения относятся нижний межморенный водоносный горизонт и вендский водоносный комплекс. Ломоносовский водоносный горизонт, развитый на юге города, является плохо защищенным в локальных зонах отсутствия водоупорной толщи нижнекембрийских глин. В торфах и заторфованных грунтах, характерных для разреза Санкт-Петербурга, присутствует микробиота, которая поступает в подстилающие породы. Наибольшая активность микроорганизмов прослеживается в торфах со средней степенью разложения. С увеличением степени разложения органического вещества, интенсивность микробной деятельности, количество микроорганизмов и разнообразие физиологических групп уменьшается. В верхней части торфов доминируют нитрифицирующие бактерии, в средней части преобладают денитрифицирующие, ниже по разрезу в анаэробных условиях присутствуют сульфатредуцирующие, аммонифицирующие и метанобразующие, а также анаэробные целлюлозоразлагающие бактерии. Вторым важным источником поступления микроорганизмов в подземное пространство являются утечки из систем водоотведения, жидкая фаза из свалок бытовых отходов, а также ликвидированные и действующие кладбища. Один миллилитр сточных вод содержит 107-108 клеток микроорганизмов. Природным источником поступления микробиоты в подземное пространство города служат газогенерирующие межледниковые микулинские отложения, содержащие до 20-22% 12 битумного органического вещества, развитые в юго-восточной и северной частях города. Микробиологические исследования этих пород выявили наличие большого количества анаэробных форм микроорганизмов, которые участвуют в генерации малорастворимых (СН4, N2) и растворимых (CO2, H2S) газов. Кроме того, источником биохимического газообразования (СН4, H2S) являются болота и литориновые отложения, техногенного – ликвидированные свалки, кладбища и водные объекты. Еще до строительства сооружения существует необходимость изучения состояния компонентов подземного пространства с позиции их контаминации, на которое накладывается влияние сооружения с учетом технологии эксплуатации - давления, температуры, утечек различного органического и неорганического состава. При неуправляемом техногенезе с поступлением контаминантов различного химического состава, содержащих органические компоненты биогенного и абиогенного генезиса, в толщу пород, происходит изменение окислительновосстановительных и кислотно-щелочных условий. 2. Активизация микробной деятельности в подземном пространстве мегаполисов при поступлении питательных и энергетических субстратов, отепляющем эффекте, дополнительном привносе микроорганизмов из различных природных и техногенных источников контаминации, а также формировании анаэробных условий оказывают негативное воздействие на песчано-глинистые отложения, которое постепенно уменьшается по мере повышения содержания глинистой фракции в грунтах и степени их литификации. В связи с особенностями характеристик компонентов подземного пространства Санкт-Петербурга был проведен комплекс экспериментальных исследований, позволяющий установить закономерности изменения состава, состояния, физикомеханических свойств песчано-глинистых отложений различного генезиса и возраста под влиянием органических соединений, отепляющего эффекта и при воздействии поступления питательных 13 и энергетических субстратов в подземную среду, в которой присутствует микробиота. Содержание органического вещества абиогенного генезиса менее 3% в песках разного гранулометрического состава отражается на значениях плотности, коэффициента фильтрации, характеристик прочности и деформируемости. Под влиянием увеличения содержания органических соединений абиогенного генезиса отмечено снижение плотности, рост общего значения пористости, с одной стороны, и уменьшение абсолютного размера пор, с другой, что отражается на фильтрационной способности песков, снижающейся в 2-5 раз. На зернах песка образуются тонкие пленки из коллоидной фракции органической компоненты, что приводит к появлению связности и снижению углов внутреннего трения. По экспериментальным данным особенно активное изменение водопроницаемости и показателей сопротивления сдвигу песков отмечается при действии органической составляющей (торфа) и подачи многокомпонентного питательного субстрата (KNO3, KH2PO4, NaHPO4*12H2O, MgSO4), способствующих развитию микроорганизмов (табл. 1).Снижение коэффициента фильтрации и угла внутреннего трения песка средней крупности связано с повышением содержания коллоидных фракций и образованием биопленок на минеральных зернах, которые существенно уменьшают трение. В процессе длительного воздействия органики биогенного генезиса изменяется гранулометрический состав песков за счет роста содержания более мелкой фракции. Так, в исходном песке преобладающая фракция 0,5-0,25 мм составляла 65%, на момент завершения опыта содержание мелкой фракции 0,25-0,1 мм возросло до 57%, а среднезернистой снизилось до 43%. В лабораторных условиях при воздействии на чистые пески торфа за один год отмечен рост микробной массы от 0 до 89 мкг/г (см. табл.1, рис. 4). Микробиологические исследования выявили развитие трех видов микромицетов – Penicillium oxysporum, Aspergillus niger, Penicillium brevicompactum (600 КОЕ на 1 грамм песка), которые принадлежат к аэробным формам микроорганизмов. Привнос нефтяных углеводородов способствовал формированию 14 анаэробной среды, что фиксировалось по косвенным признакам: переходу цвета песка от светло-коричневого до серого. В восстановительной среде отмечалось снижение численности микромицетов и уменьшение их активности, что вызвало двукратное снижение величины микробной массы по сравнению с результатами опыта без добавок нефтепродуктов. В процессе опыта наблюдалось изменение кислотно- щелочных условий (рН снизилось от 7,5 до 5,5 за счет образования органических кислот), подтверждающееся формированием кристаллов оксалатов при продуцировании микромицетами щавелевой кислоты; кроме того, в первый месяц проведения исследований отмечалось выделение газа, состав которого не определялся. При воздействии органики биогенного и абиогенного генезиса на выветрелые ожелезненные нижнекембрийские песчаники в бескислородной среде происходит восстановление железа до Fe2+, что вызывает полную деградацию цементационных связей за счет гидрооксида железа и одновременно диспергацию глинистых агрегатов. Через 6 месяцев было получено снижение угла внутреннего трения (с 270 до 100), сцепления (от 0,049 до 0,011 МПа), что сопровождалось ростом микробной массы в 5 раз. Воздействие торфов на нижнекембрийские синие глины вызывает интенсивный рост микробной массы и снижение параметров их прочности: угла внутреннего трения в 1,25-1,5 раза, сцепления – на 20% (табл. 2). При воздействии природной органики на нижнекембрийские синие глины было установлено увеличение микробной массы в 3,5 раза за 6 месяцев. В течение опыта поддерживались анаэробные условия, о чем свидетельствует появление пятен гидротроилита за счет сульфатредукции железа и образования сероводорода. При поступлении нефтепродуктов (соляровое масло) микробная масса за 6 месяцев возросла с 25 мкг/г до 103 мкг/г (см. табл. 2). Еще ранее было установлено, что в глинах доминируют анаэробные бактерии, соответственно в восстановительных условиях при поступлении солярового масла численность микроорганизмов возрастает даже в литифицированных глинах. 15 Экспериментальными исследованиями установлено, что по мере повышения содержания глинистых фракций в грунтах при прочих равных условиях (поступление питательных субстратов с постоянным составом) возрастает величина микробной массы за счет повышения сорбционной способности песчано-глинистых пород (рис.5). Для развития микробиоты в песчано-глинистых отложениях имеет значение тип питательного субстрата. Как показали результаты экспериментальных исследований, при полном водонасыщении микробная масса увеличивается, максимальный рост биоты зафиксирован при поступлении питательного субстрата с 1% солярового масла. На активность деятельности микроорганизмов существенное влияние оказывает температура. Все исследуемые физиологические группы микроорганизмов принадлежат к мезофилам, т.е. для них существует температурный оптимум в условиях которого отмечается рост их численности. При повышении температуры от 15-170С до 30-350С, что характерно для пород в основании ТЭЦ, в образцах на гидрослюдистых глин микробная масса увеличилась на 40%. При воздействии на образцы супесчаного состава ультрафиолетовых волн длиной 305-315 нм за месяц микробная масса снизилась в 4 раза по сравнению с исходной (113,8 мкг/г), при условии поглощения излучения нуклеиновыми кислотами клеток, которые погибают в результате мутации [М.В. Волькенштейн, 2008 г.]. При вибрационном воздействии с частотой колебаний 1500 Гц содержание микробной массы за аналогичный период уменьшилось почти в 2 раза (от 133 до 70 мкг/г) за счет разрушения клеток и снижения активности их размножения. На основе проведенных исследований введен коэффициент снижения сопротивления сдвигу для песков и глинистых пород в зависимости от содержания микробной массы (табл.3, рис.6). Наиболее чувствительными оказываются пески средней крупности, практически не содержащие пылеватую фракцию, которые переходят в состояние плывунов при величине микробной массы более 60 мкг/г. Все разности водонасыщенных глинистых грунтов малой и средней степени литификации в анаэробных условиях и при 16 содержании микробной массы более 100 мкг/г следует рассматривать как пластичные среды с углами внутреннего трения менее 5-60. По мере повышения содержания глинистой фракции такое влияние снижается для величин сопротивления сдвигу грунтов. 3. Для повышения безопасности функционирования системы сооружение – многокомпонентная подземная среда необходимо вести проектирование на основе прогнозирования изменения состояния и физико-механических свойств песчано-глинистых отложений, преобразования состава подземных вод и активизации природно-техногенных процессов с использованием результатов экспериментальных исследований, которые не предусмотрены в системе инженерных изысканий. Необходимость обеспечения длительной устойчивости – одно из основных требований, предъявляемых к зданиям и сооружениям различного назначения. По данным проф. В.М. Улицкого в Санкт-Петербурге большая часть деформаций (61%) обусловлена техногенными факторами, проявляющимися при эксплуатации сооружений различного назначения. В действующих нормативных документах отсутствуют требования к обязательному выполнению прогноза по изменению химического состава подземных вод, окислительно-восстановительных и кислотнощелочных условий, температурного режима, активизации микробной деятельности, которые сказываются на ухудшении состояния и свойств пород в основании сооружений в процессе их строительства и эксплуатации. Для сравнительной оценки степени загрязнения верхней части разреза четвертичных отложений в пределах территории Санкт-Петербурга построена схематическая карта интенсивности загрязнения в зависимости от концентрации источников контаминации, которая дает возможность установить тенденции изменения состояния и свойств песчано-глинистых грунтов и воспользоваться коэффициентами снижения прочности песчаноглинистых грунтов в зависимости от содержания в них микробной массы (рис. 7). 17 В качестве примера можно привести анализ перехода жилого здания на Двинской ул. в аварийное состояние в результате негативного преобразования песчано-супесчаных пород, которые служили несущим горизонтом для ленточных фундаментов шириной b=2,8-3,2 м, заглубленных на 2,5 м, при постоянном воздействии утечек из канализационной системы. Определение расчетного сопротивления (R) на стадии проектирования было выполнено при следующих показателях сопротивления сдвигу: с=0,015 МПа (1,5 тс/м2) и =200, =1,95-2,0 т/м3 и составило 0,27 МПа (2,7 тс/м2), при этом выполнялось условие рс<R, где рс – давление под подошвой от сооружения, равное 0,15 МПа. Длительность воздействия канализационных стоков и подтопление фундаментов привело к преобразованию песчаносупесчаных отложений, изменились показатели сопротивления сдвигу: =60, с=0,017 МПа (1,7 тс/м2), взвешивающее воздействие подтопления привело к снижению до 1,42 т/м3. При этих параметрах R составило 0,11 МПа (11 тс/м2) и оказалось ниже, чем давление от сооружения. При проектировании сооружений в зонах интенсивного загрязнения необходимо использование в расчетах характеристик сопротивления сдвигу, полученных в условиях трехосного сжатия по схеме НН (неконсолидированно-недренированный сдвиг) с возможностью бокового расширения образцов, что отражает поведение пород в основании сооружения. Данная схема испытаний позволяет получить минимальные углы внутреннего трения при сохранении плотности и влажности грунтов. Кроме того, необходимо выполнение прогноза изменения не только физико-механических свойств, но и активизации природнотехногенных процессов: перехода песков в плывуны, возможность выпора грунтов из-под сооружения, биокоррозии строительных материалов. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Диссертация представляет собой законченную научноквалификационную работу, в которой содержится решение актуальной научной задачи по инженерно-геологической оценке 18 техногенеза компонентов подземного пространства при его освоении и использовании (на примере Санкт-Петербурга). 1. Подземное пространство Санкт-Петербурга рассматривается как компонентная среда, включающая горные породы (грунты), подземные воды, газы, микробиоту и подземные конструкции. В разрезе четвертичных отложений особое внимание уделено присутствию в верхней части разреза торфов и заторфованных грунтов. Загрязненные техногенные отложения, захороненные свалки, ликвидированные и действующие кладбища служат источником поступления органических соединений абиогенного и биогенного генезиса. Отмечается высокий уровень загрязнения грунтовых вод за счет утечек из канализационной сети и других источников контаминации. Коренные глины необходимо рассматривать как трещиновато-блочную среду, что предопределяет возможность их загрязнения на значительную глубину при утечках из различных источников. 2. Выполненные экспериментальные исследования влияния органических соединений биогенного и абиогенного генезиса позволили установить тенденцию изменения гранулометрического состава, коэффициента снижения показателей сопротивления сдвигу песков и глин различного генезиса и степени литификации. С ростом содержания глинистой фракции в грунтах влияние накопления микробной массы уменьшается. На основе проведенных лабораторных исследований установлено снижение содержания микробиоты при воздействии ультрафиолета и вибрационных нагрузок. Выявлены закономерности роста микробной массы в глинистых грунтах при повышении их температуры. 3. В условиях активного техногенеза безопасность функционирования сооружений и обеспечение их длительной устойчивости определяется учетом возможности перехода песков в плывунное состояние и трансформации глинистых грунтов в квазипластичное состояние при активизации микробной деятельности, загрязнении органическими соединениями биогенного и абиогенного генезиса, а также влиянии заболачивания и газогенерации природного и техногенного характера. 19 4. Для обеспечения длительной устойчивости наземных и подземных сооружений различного назначения предложено использовать схематическую карту загрязнения и зон его влияния, в основу которой положена концентрация источников контаминации на рассматриваемой территории, а также коэффициент снижения сопротивления сдвигу в зависимости от величины микробной массы в песчано-глинистых грунтах. Рассмотрен пример перехода сооружения в аварийное состояние за счет загрязнения грунтов зоны основания канализационными стоками. Наиболее значимые работы по теме диссертации 1. Панкратова К.В. Влияние изменения инженерно-геологических и геоэкологических условий в период строительства и эксплуатации сооружений проектируемого Алексеевского цементного завода на их устойчивость (Республика Мордовия) // Записки Горного института. Т.186. СПб, СПГГУ, 2010, с.34-38. 2. Дашко Р.Э. Техногенная трансформация основных компонентов подземного пространства мегаполисов и ее учет в геомеханических расчетах (на примере Санкт-Петербурга) / Р.Э. Дашко, А.В. Шидловская, К.В. Панкратова, А.М. Жукова // Записки Горного института. Т.190. СПб, СПГГУ, 2011, с.65-70. 3. Панкратова К.В. Повышение достоверности инженерногеологической информации на основе исследований влияния некоторых факторов техногенного воздействия на песчаноглинистые отложения // Записки Горного института. Т.195. СПб, СПГГУ, 2012, с.49-53. 4. Дашко Р.Э. Исследование инженерно-геологических факторов для оценки динамики разрушения тоннеля на участке автодороги СанктПетербург – Киев / Р.Э. Дашко, К.В. Панкратова, А.А. Коробко // Записки Горного института. Т.195. СПб, СПГГУ, 2012, с.24-28. 5. Панкратова К.В. Результаты экспериментальных исследований влияния некоторых техногенных факторов на дисперсные грунты, как источники дополнительной инженерно-экологической информации на предпроектной стадии изысканий / К.В. Панкратова, А.М. Жукова // Материалы годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии «Сергеевские чтения XIV». М.: РУДН, 2012, с.69-73 20 Рис. 1. Положение кровли коренных пород осадочного чехла на территории Санкт-Петербурга (переработанные и дополненные данные Геологического атласа Санкт-Петербурга, 2009 г.) 21 Рис. 2. Схема распространения четвертичных отложений на территории Санкт-Петербурга (по данным ФГУП «Севзапгеология») Условные обозначения: - болота и заболоченные участки; - «снятые» болота. Рис. 3. Схематическая карта «снятых болот» на территории Санкт-Петербурга (конец XX века) (по данным ФГУП «Севзапгеология») 22 Таблица 1. Динамика изменения водопроницаемости, угла внутреннего трения и величины микробной массы водонасыщенного песка во времени под воздействием торфа Коэффициент Микробная Угол Продолжительность Порода фильтрации, масса, внутреннего воздействия, мес. м/сут мкг/г трения, град 0 12,1-17,9 0 23-25 5,3-7,5 33-49 11-14 3 10,6-14,3 20-23 19-22 Песок 3,8-5,7 52-63 9-11 6 средней 7,9-12,5 28-30 15-20 крупности 2,4-3,6 70-79 7-9 9 5,8-9,7 33-35 11-16 1,7-3,3 83-89 5-8 12 4,9-7,2 40-47 8-13 В числителе – при воздействии торфа; в знаменателе – при воздействии торфа с дополнительным поступлением солярового масла. Таблица 2. Динамика изменения некоторых показателей механических свойств и микробной пораженности нижнекембрийских синих глин при воздействии органических соединений естественного генезиса и солярового масла Параметры сопротивления сдвигу Микробная масса, Порода Угол мкг/г Сцепление, внутреннего МПа трения, град. Нижнекембрийские глины 25,3-33,9 15-18 0,05-0,09 Нижнекембрийские глины 68,7-83,3 13-15 0,040-0,045 после воздействия торфа Нижнекембрийские глины после воздействия торфа 90,8-102,9 5-8 0,035-0,041 с питательным раствором с 1% солярки Примечание: продолжительность опыта 6 мес. Величина микробной массы, мкг/г 300 100 90 Величина микробной массы, мкг/г 80 70 60 50 40 250 200 150 100 50 0 1 30 2 3 4 5 Тип питательного субстрата 20 10 песок 0 2 4 6 8 10 12 Время, мес. торф +питательный субстрат торф+питательный субстрат с 1% соляров ого масла Рис. 4. Зависимость содержания микробной массы в среднезернистых песках при воздействии органики биогенного и абиогенного генезиса супесь суглинок Рис. 5. Зависимость роста микробной массы от типа питательного субстрата в различных типах песчаноглинистых грунтов 1 – грунты в состоянии неполного водонасыщения; 2 – водонасыщенные грунты; привнос питательного субстрата 3) торф; 4) глюкоза; 5) с 1% солярового масла 3,5 Таблица 3. Влияние содержания микробной массы на снижение сопротивления сдвигу глинистых грунтов Коэффициент снижения сопротивления сдвигу при различном IL содержании ММ мкг/г 0 50-100 100-200 >200 <0,50 2,0-2,5 2,2-3,0 3,0-3,5 Супеси 0,50-0,75 1,0 1,8-2,0 1,7-2,0 2,0-2,5 >0,75 1,5-1,8 1,5-1,8 1,8-2,0 <0,50 1,6-2,0 2,0-2,2 2,2-2,4 Суглинки 0,50-0,75 1,0 1,4-1,8 1,8-2,0 2,0-2,2 >0,75 1,4-1,5 1,5-2,0 2,0-2,2 <0,50 1,4-1,6 1,6-1,8 1,8-2,2 Глины 0,50-0,75 1,0 1,3-1,5 1,5-1,6 1,6-2,0 >0,75 1,3-1,5 1,5-1,6 1,6-1,9 Примечание: Сопротивление сдвигу получено по результатам трехосных испытаний по схеме НН 23 Коэффициент снижения сопротивления сдвигу 0 3 2,5 2 1,5 1 0 50 100 150 супесь IL 0,5-0,75 супесь IL> 0,75 Величина микробной массы, мкг/г супесь IL< 0,5 суглинки IL< 0,5 глина IL< 0,5 песок средней крупности суглинки IL 0,5-0,75 глина IL 0,5-0,75 песок мелкий и пылеватый суглинки IL> 0,75 глина IL> 0,75 Рис. 6. Зависимость коэффициента снижения сопротивления сдвигу для песков и глинистых пород в зависимости от содержания микробной массы 200 Рис.7. Схематическая карта загрязнения территории Санкт-Петербурга и зон его влияния 1 – загрязнение не выявлено 2 – слабая степень загрязнения (влияние одного загрязнителя) 3 – средняя степень загрязнения (влияние двух загрязнителей) 4 – высокая степень загрязнения (влияние трех и более загрязнителей) 24
